книги / Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций

Недостатком его является очень большая трудоемкость. Процесс пре­ рывается, пооле фотографирования образец охлаждают в жидком азоте и вновь вставляют в прессформу. При продолжении деформирования условия трения на контактных поверхностях существенно изменяютоя.

Преимуществом метода является то, что он позволяет получить скорость деформаций, распределение деформаций и напряжения в лю-

бом сечении, для которого получена картина течения.

Свободный от втого недостатка метод выявления "естественной1* сет­ ки или иакроволокяиотой (строчечной) структуры, характерной для ря­ да материалов. Предварительно глубоким травлением выявляют направ­ ление волокон. Далее выполняют два совершенно одинаковых по форме и размерам образца, в одном ив которых волокна ориентированы вдоль оои будущего деформирования, в другом - поперек.

Деформирование обоих образцов производят в оовершенно эдентичных условиях. Для анализа напряженно-деформированного ооотоякия

осуществляют меридиональное сечение того и другого образца и глубо­ ким травлением выявляют положение волокон в деформированном состоя­ нии. Накладывая негативы снимков меридионального сечения с попереч­ ным и продольным расположением волокон, получают "естественную"

сетку деформированного образца.

В дальнейшем обработка результатов эксперимента ведется так же, как в случае накатанных сеток.

Множество примеров практического применения метода оеток для изучения распределения деформаций в связи о технологическими зада­ чами, для выбора рациональных конструктивных форм деталей, для со­ поставления овойств материалов ^4,8,23,24,34^ подтверждают большие возможности этого метода.

Г Л А В А 2

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ МЕТОДОМ МУАРА

Метод муаровых полос является естественный развитием метода се­ ток. Долгое время он служил лишь для выявления качественной карти­ ны деформации. Однако о развитием методов нанеоения точных сеток и разработкой измерительной аппаратуры стал применяться и для точ­ ной количественной оценки деформации, имеющей. место не свободных поверхностях форкоизменяемых тел. Основан он на явлени­ ях, которые возникают при наложении одна на другую двух иди более сеток (растров), ооотоящих из линий, точек или иных геометри­ ческих элементов. Искажение одного из раотров вызывает эффект гео­ метрической интерференции, в результате которого создается картина чередующихся оветлых и темных полос. Если ©тот растр нанеоек на деформируемую деталь, модель или образец, то возникающие муаровые полосы позволяют судить о величине перемещений и деформаций, явля­ ясь линиями уровня некоторых геометрических величин - смещений, углов наклона, прогибов, кривизны или их комбинаций. Вдоль линий уровня иослэдуемая величина оотается постоянной, а при переходе от одной муаровой подооы к соседней изменяется на некоторое постоян­ ное значение.

Вследствие чицто геометрического характера наблюдаемых явлений метод муара позволяет исодедовать деформации упругие, пластические, деформации ползучести независимо от их физической природа..

Метод может быть применен для последования деформаций при мед­ ленно и быстро протекающих процессах, при нормальных и повышенных температурах.

В качестве достоиаств метода следует отметить наглядность его, простоту обработки результатов.

$ I. ПОЛУЧЕНИЕ КАРТИНЫ МУАРОВЫХ ПОЛОС

Методика получения картины муаровых полос включает ряд последо­ вательных операций: изготовление растров-эталонов, получение конт­ рольных раотров, перенос раотрового ивоброжения на иооледуемую по­ верхность - получение рабочего растра, совмещение рабочего и конт­ рольного раотров и регистрация возникающих муаровых пожоо. Основ­ ной трудностью в применении метода является изготовление точной

.эталонной сетки, которое требует специального делительного обору-

мованяя. Изготавливают растры-эталоны линованием парафинированного

4-50 линий на миллиметр. В работе используются контрольные растры» которые являются фотокопиями оригиналов. Наиболее распространенным опоообои нанесения сеток на поверхность оказывается фотоспособ.

Поверхность детали равномерно покрывается фотоэмульсией. После пол­ ного высыхания и соответствующей термообработки контактным спосо­ бом на дотадь печатается изображение растра.

Налоге ние контрольного и рабочего растров» необходимое для по­ лучения картины муаровых полос, осуществляют механическим или опти-

обеспечивает возможность регулировки в фикоацпи подоившая его и регистрацию возникающих при нагружении муаровых полос без останов­ ка испытания.

В ряде олучаев, например, при высокотемпературных исследованиях * осуществляют оптическое совмещение растров с помощью специальных оптических систем. Растр, нанесенный аа образец, проектируется в фокальную плоскость фотокамеры, где располагают контрольный растр. Возникающую при их налопенпи картину полос регистрируют второй ка­ мерой.

Применяя сетки различного шага, мояно измерять деформации в до­ вольно широком диапазоне. Однако для измерения малых деформаций необходимы сетки о очень малым шагом или модели увеличенного разме­ ра. Для увеличения чувствительности измерения ьялых деформации исполь* эубтоя дифференциальный метод. Б этом случае шаг контрольной сетки отличается от шага рабочей сетки, нанесенной на деталь. При равном шаге контрольной и рабочей сеток одна из них повернута относительно другой.

И в том и в другом случае картина муаровых полос получается еще до деформации. Последующий анализ идет сравнением начальной картшш муаровых полос и картины, получаемой на определенной ступени деформа­ ции.

§ 2. АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИИ С ПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТОК ПРЯШХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Для исследования пластических деформаций могут быть попользова-

вы различные семейства линий, нанесенные на поверхность деталей сложной формы» Однако определение деформаций в общем случав доволь­ но сложно. Наиболее просто определяются деформации плоских поверх­ ностей о попользованном сетки прямых параллельных линий - линейных растров.

Разрешающая способность человеческого глаза такова, что систему чередующихся темных п светлых линий, расстояние мецду которыми очень мало, он воспринимает кап сплошное серое поле. Цри наложении двух систем линий интенсивность цвета меняетоя, и это изменение во­ спринимается в виде муаровой картины. Расстояние между центрами двух сооэдйих темных (или светлых) муаровых полос взы вается шагом полос 5). При наложении двух спотом параллельных линий, имеющих несколько отличающийся шаг, центр томной полосы совпадает с точкой, где темная полоса перекрывает светлую. ( Рис. 2а ) .

Схема образования муаровых полос при повороте двух снотем парал­ лельных линий одинакового шага показала на рио.

Центр светлой ыушовой полоса совпадает о местом пересе­ чения темных линий. Центр чшас® аояосы совпадает с меотом, где темные линии одной сетки перекрываю? зазоры мезду темными линиями другой сетки. Определение деформаций но ‘муаровым картинам осущест­ вляется двутля опособамИо Один аз -способовр называемый иногда "гао - метрическим" 0 использует точные -или тфпбашяоякэе шюлптпчеатсне з а - ваепмооти коночной однородной деформация* Другой основан еш попалазовангщ дифференциальная заизоййоотэЕ конечной шш малой деформа-

вычислить расстояние тчвг^гу* .взнпшп оеткп двии шраргчшото образца

Рио. 2. Схема образования полос муара

а- при линейной деформации,

в- при повороте без деформаций

эталонная сеткл

(2 . 1)

но И* = —

Обозначив для одучае растяжения

подучаем

Аналогично можно определять направление о другой главной дефор­ мации

В одучае ожатия

По полученным соотношениям подсчитывают величины и направления главных деформаций при однородной деформации.

б) Измерение полей неоднородных деформаций.

Соотношения ( 2.Т>, 2,.6 ) догу? быть попользованы пах приближен­ ные и при анализе неоднородной деформации. Найденные в этом случав деформации будут средними на базе, равной расотояншо между муаровы­ ми полосами. Результат подсчета будет таи точнее р чем меньше неод­ нородность деформации в окреотноотях раооютршзаемой точки я чам меньше шаг полоо.

Очевидно, что даяе при небольшой неоднородности ошибка в опреде­ лении деформаций моаэт оказаться весьма существенно#^ Это приводит к необходимости перехода от усредненных соотношений к дифферонциажь-

явм зависимостям

равлении, перпендикулярном первоначальному направлению линий сетки. Обработка картин муаровых полос заключается в определении поверхно­

Графическое дифференцирование этих кривых позволяет определить зна-

Метод подоо муара обладает выоокой разрешающей способностью, он применим на любых материалах, при отатичзокой и динамической нагрузках, орк высоких и низких температурах в широком диапазоне деформаций упругих и пластических. Однако, при изучении значитель­ ных пластических деформаций целесообразно сочетать метод шуара с методом делительных сеток, используя последний в тех ыеотах, где разделение муаровых подоо эатруднено. С применением метода шуара проведено значительное число исследований упругих и пластических деформаций на натурных деталях, моделях и образцах материалов [12,28,33,39]

Г Л А В А 3

ПОЛЯРИЗАЦИОШЮ-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

В практике экспериментальных исследований напряженного состояния деталей машин, элементов конструкций процессов обработки металлов давлением в последние годы вое большее применение находит поляриза­ ционно-оптический метод. Наиболее полно етот метод в настоящее вре­ мя разработан для исследования упругих задач (метод фотоупругости). За последнее десятилетие значительное развитие пол; чили оптические методы исследования напряжений и деформаций в пластической области-

направление фотоплаотичность, фотоползучость, метод фотоупругих покрытий. Обычно измерения проводят о применением плоских и объем­ ных прозрачных моделей, выполненных подобными по форме и нагрузке исоледуемой детали или конструкции. Долгое время развитие поляриза­ ционно-оптических методов сдерживалось отсутствием материалов, об­ ладающих необходимым комплексом оптико-механических совйств. Появ­ ление новых материалов на основе эпоксидных смол и других с улуч­ шенными характеристиками обеспечило возможность выполнения крупных и сложных моделей, расширило границы применения метода, повыоидо точность его.

Достоинствами поляризационно-оптического метода является возмож­ ность подучать поля деформаций и напряжений по сечениям и внутри объема, веоти измерения на весьма малых базах, высокая точность и наглядность. Усовершенствование методов обработки данных измерений о применением вычислительных машин и дополнительных эксперименталь­ ных методов послужило широкому использованию оптического метода для исследования реальных процессов пластического формоизменения, проверки ряда положений теории пластичности и ползучеоти и т .д .

§I . ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОШ МЕТОДА

Воснове поляризационно-оптических методов исследования напряже­ ний и деформаций лежат такие оптические явления как поляризация овета и эффект искусствеиного двойного лучепреломления.

Согласно электромагнитной теории оветовне волны представляют со­ бой перемещение периодически меняющихся связанных между собой

рический вектор Е , с которым обычно связывают распространение

света, имеет беспорядочную ориентацию, т .е . совершает хаотические

своего положения» то овет будет плоско-поляризованным. Для получе­ ния его применяются так называемые поляризаторы. В качестве поляри­ заторов попользуются специальные призмы» изготовленные из иоландокого шпата» иокуоотвенно изготовленные поляроиды.

После прохождения через поляроид поток световых лучей имеет коле­ бания в одной пдоокооти. Води на пути такого луча поставить второй поляроид так» чтобы плоскости поляризации поляроидов были параллель­ ны» то свет пройдет полностью. Боди плоокооти поляризации будут взаимно перпендикулярны» получитоя полное гашение овета. В ояучае расположения плоскостей поляризации под каким-либо углом овет прой­ дет частично.

Второе явление» лежащее в основе поляризациокно-оптичеокого ме­ тода - искусственное двойное лучепреломление.

Двойное лучепреломление является постоянным естественным свойст­ вом некоторых прозрачных криоталяов» например» нриоталдов исланд­ ского пшата» турмоллна» олвды и ряда других. Цри прохождении овета через прозрачную кристаллическую пластинку световая волна разлагает­ ся на две взаимно перпендикулярные волны» распространяющиеся внутри кристалла о различными окоростями. Материалы» обладающие таким свойством, называютоя оптически чувствительными. Практически все материалы обладают оптичеокой чувствительностью. Однако в изотроп­ ных материалах оптическая чувствительность проявляется лишь при на­ гружении. Именно при нагружении такие материалы как стекло» орг­ стекло» целлулоид» бакелит» отвержденные зпокоидные смолы агвр-ага» ра и другие прозрачные материалы начинают вести оебя как двояколуче - прелошшгщие. Бели нагрузку снять» эффект двойного лучепреломления исчезает.

Многочисленными исследованиями установлено» что плоскость колеба­ ний преломленных лучей совпадает о плоскостями главных напряжений. Для света» падающего перпендикулярно к плоскости пластинки» находя­ щейся в плосконапряженном состоят™ , плоскости колебаний преломлен­

Закон Вертгейма устанавливает количественную связь между оптичес­ ким эффектом и разностью главных напряжений